3-pisteen taivutus- ja vetomoodien vertailu
Materiaali Polykarbonaatti
Polykarbonaatti on lämpömuovinen materiaali, joka ilman hiukkas- tai kuituvahvistusta pehmenee erittäin nopeasti korkeissa lämpötiloissa. Mekaanisten ominaisuuksien lämpötilariippuvuuden tai lasittumislämpötilan määrittämiseksi tarvitaan tiettyjä testigeometrioita ja erityisiä testiolosuhteita.
Kokeellinen
Polykarbonaatin (PC white) tutkimiseen käytetään Eplexor® 500 N (kuva 1), joka on varustettu 500 N:n voima-anturilla ja lämpökammiolla (-160°C - 500°C).
3-pisteen taivutus
Monissa sovelluksissa käytetään yleisesti 3-pisteen taivutustestiä. Koska PC alkaa pehmentyä hyvin "aikaisin" eli jo monta astetta lasilämpötilan (Tg) alapuolella, PC-näytteellä on taipumus notkahtaa alaspäin oman painonsa alla ja koskettaa pohjaa ennen lasilämpötilan saavuttamista (kuva 2). Se jopa omaksuu 3-pisteen taivutuspidikkeen ääriviivat (tässä: jänneväli 30 mm)! Tämä ilmiö esiintyy kaikissa taivutuspidikkeissä niiden jännevälistä riippumatta. Taivutuskokeissa taivutettaviin PC-näytteisiin kohdistuu monimutkaisia muodonmuutoksia (samanaikainen venytys, leikkaus ja taivutus) lämpötilahyppyjen aikana. Materiaalista riippuen muodonmuutos voi alkaa jo 10-30 °C lasilämpötilan alapuolella. Näytteen taivutuskokeessa tapahtuvat muodonmuutosprosessit eroavat kaikissa lämpötiloissa vetokokeessa tapahtuvista muodonmuutosprosesseista. Tämän vuoksi taivutuskokeissa energian häviäminen on suurempaa kuin vetokokeissa, koska energiaa hävittäviä prosesseja on enemmän. Tämä havainto oikeuttaa odotuksen, että taivutustilassa esiintyy suurempia tanδ-arvoja kuin vetokokeissa, vaikka testattava materiaali olisikin sama.
Vetokokeet
Vetokoe on parempi vaihtoehto PC:n dynaamis-mekaaniseen analyysiin. Kaikkien vetokokeiden on täytettävä seuraavat vaatimukset:
- On voitettava näytteen luontainen taipumus supistua korkeammissa lämpötiloissa
- Näytteen tasalaatuisuuden varmistaminen (= luisumisen estäminen)
Sopivasti konfiguroiduilla PC-vetokokeilla minimoidaan painovoiman vaikutus näytteen muotoon. Tavanomaisissa vetokokeissa käytetään suurempia staattisia kuormia kuin dynaamisia kuormia. Näin vältetään vaihtuvat kuormat testisyklien aikana ja estetään näytteen vääntyminen. Jos voidaan soveltaa tiettyjä toimenpiteitä, joilla voidaan sulkea pois nurjahduksen mahdollisuus, tätä sääntöä ei tarvitse noudattaa! Tällöin sekä staattinen että dynaaminen kuormitus voidaan valita vapaasti kokeen tarpeiden mukaan. Vetokokeissa, joissa käytetään lyhyitä näytteitä (joiden mittapituus on muutama millimetri) ja small muodonmuutoksia (mikrometrin mittakaavassa), ei tapahdu vääntymistä. Tällaisia konfiguraatioita käytetään, kun PC:llä suoritetaan lämpötilapyyhkäisyjä.
Testiolosuhteet
Vetokokeissa käytetyt PC-näytteet ovat 9,5 mm leveitä, 3 mm paksuja ja 30 mm pitkiä. Tuloksena on noin 10 mm:n mittapituus, joka osoittautuu sopivaksi venymäohjattuja dynaamisia kuormituksia varten. Pieni staattinen voima-amplitudi (kosketusvoima) pitää PC-näytteen suorassa koko testin ajan, kun datapisteitä ei kerätä. Vertailun vuoksi suoritetaan myös 3-pisteen taivutustesti (staattinen rasitus 3 %, dynaaminen rasitus 1 %, kosketusvoima 1 N ± 0,5 N, jänneväli 30 mm).
Kuvassa 3 näkyy jännitysvoiman merkittävä vaikutus näytteen muotoihin kolmessa esimerkissä. Sen on estettävä kutistuminen eikä se saa venyttää PC-näytettä merkittävästi. On selvää, että 0,5 N (kuva 3, vasen ja kuva 3, keskellä) ja 0,75 N:n kosketusvoimatasot eivät ole riittäviä. Juuri 1 N:n kosketusvoimataso (kuva 3, oikea) pitää näytteen suorassa eikä venytä sitä liikaa.
Itse asiassa tarvittava voiman rajoitus kutistuminen riippuu materiaalista ja näytteen poikkipinta-alasta!
50 μm:n staattiset muodonmuutokset (0,5 % staattinen muodonmuutos) ja 10 μm:n dynaamiset muodonmuutokset (0,1 % dynaaminen muodonmuutos) voidaan havaita hyvin, eivätkä ne aiheuta vääntymistä vetokokeissa. Valittu muodonmuutoksen säätötila pitää muodonmuutosamplitudit vakiona kaikissa lämpötiloissa vaihtelemalla vastaavia staattisia ja dynaamisia voimatasoja lämpötilan muuttuessa (2 °C/min, taajuus: 10 Hz).
Mittaustulokset
Kimmomoduulin |E*| ja tanδ:n lämpötilariippuvuus on esitetty kuvassa 4 veto- ja 3-pistetaivutustestissä.
KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. Kimmomoduuli |E*| matalassa lämpötilassa on molemmissa tapauksissa noin 2300 MPa. Tanδ-käyrän maksimi sijaitsee noin 166,5 °C:ssa (Tg). Alle 25 °C:n lämpötiloissa moduulit |E*| eroavat merkittävästi toisistaan. Vaimennus tanδtaivutus on suurempi, koska useammat eri muodonmuutosprosessit ovat aktiivisia kuin vetokokeissa. Taivutusmoduulit |E*| eivät ole yhtä merkityksellisiä, koska niiden laskennassa käytetään näytteen alkuperäisiä mittoja, mutta todellinen muoto poikkeaa siitä paljon.
Jännityksessä näytteen poikkipinta-ala pienenee vähitellen korkeissa lämpötiloissa näytteen venymisen vuoksi. Jos oletetaan, että näytteen tilavuus on vakio, kun sitä kuormitetaan jännityksellä, todellinen (=korjattu) poikkipinta-ala voidaan määrittää, jos todellinen venymä mitataan. Tuloksena saatu moduuli |E*| viittaa korjattuun poikkipinta-alaan.
Päätelmä
Vetokoe tarjoaa tarkemmin määritellyt koeolosuhteet sellaisten kestomuovisten materiaalien dynaamis-mekaanisia analyysejä varten, jotka - jos niitä ei ole vahvistettu - pehmenevät merkittävästi jo 20 °C tai 30 °C Tg:n alapuolella. Näytteen muoto säilyy koko lämpötila-alueella paljon paremmin vetokokeissa kuin taivutuskokeissa. Dynaamisten mekaanisten ominaisuuksien laskemiseksi tehdyt geometriset oletukset täyttyvät paremmin vetokokeen geometriassa - tärkeä syy suosia vetokokeita kokeellisessa käytännössä.